Одним из чудес технического прогресса СССР является Кольская сверхглубокая скважина находящееся в Мурманской области, в 15 км к востоку от посёлка Никель и 10 км к западу от города Заполярный. Скважина с 1997 года занесена в Книгу рекордов Гиннесса как самое глубокое погружение в земную кору. В народе эту шахту прозвали «колодец в ад» на дне которого живут демоны. Кольская сверхглубокая разделила участь Советского Союза от процветания до забвения.
Мировой опыт
Попытки глубинного исследования недр Земли уходят в глубокую древность уже тогда китайцам удавалось прорыть скважины глубиной 1200 метров. В 1930 году в Европе смогли пробурить земную поверхность на глубину 3 км. В конце 1950-х годов глубина пробурённых скважин увеличилась до 7 км. В 1957 году США приступили к осуществлению аналогичного проекта. В 1958 году была создана программа Проект «Мохол», «Mohole».
Его название образовано от двух слов:
Moho – поверхность, названная в честь Андрия Мохоровичича – хорватского геофизика и сейсмолога, выделившего в 1909 году нижнюю границу земной коры, на которой происходит скачкообразное увеличение скорости сейсмических волн;
Hole – скважина, дырка, отверстие.
На континентах земная кора толще, чем под океанами. Она складывается из гранитного и базальтового слоев и присыпана осадочными породами. В основе же океанических бассейнов — лишь осадочный и базальтовый слой, гранитный отсутствует, что делает мантию достижимой мечтой всех геологов.
Такую амбициозную задачу ставили перед собой американские ученые, разрабатывая проект «Мохол». Геологи планировали достигнуть границы Мохоровичича — подземной области, где наблюдается резкая смена скорости распространения звуковых волн. Считается, что она связана с границей между корой и мантией.
Недалеко от мексиканского острова Гуаделупе было пробурено 5 скважин глубиной около 180 метров при глубине океана до 3,5 км. За пять лет исследователи, собрали множество образцов из базальтового слоя, но до мантии не дошли.
Судно CUSS, силами которого осуществлялся проект Mohole
Это был уникальный опыт, доказавший, что даже с плавучей незакрепленной платформы, под которой находилось 3,5 километра воды, бурение принципиально возможно.
Впрочем, на пути беспрецедентных научных успехов США стал Конгресс страны, отказавшийся в конечном итоге финансировать дорогостоящий «Мохол». Его цели, какими бы фундаментальными они ни были для человечества, оказались совершенно непонятны сенаторам и конгрессменам.
Работа в рамках проекта была прекращена в 1966 году из-за отсутствия финансирования.
Однако Американские учёные не отчаялись. Проекты путешествия вглубь Земли появлялись вновь и вновь. Бурить скважины старались в тех местах, где кора должна была быть потоньше – целью было достижение мантии.
Например, бурили в районе острова Мауи, на Гавайях, где, по данным сейсмических исследований, древние породы выходят под океанское дно, и мантия находится примерно на глубине 5 километров под 4-х километровой толщей воды.
Увы, ни одна океанская буровая глубже 3 километров не пробилась. Вообще, почти все проекты сверхглубоких скважин мистическим образом заканчивались на 3-х километровой глубине. Именно в этот момент с бурами начинало происходить что-то странное: то они попадали в неожиданные сверх горячие области, то их как будто откусывал какой-то невиданный монстр.
И всё же несмотря не на что в 1972 году Американцы начали бурение своей собственной скважины Bertha Rogers в округе Уошито Оклахома, США
Скважина была пробурена в районе нефтегазоносного бассейна Анадарко. За 502 дня бурения проводившегося без отбора керна была достигнута глубина в 9583 метра. Коммерческих углеводородов найдено не было. В итоге буровое долото достигло слоя жидкой серы, который его расплавил, температура на забое достигла 260 градусов, после чего скважина была опечатана.
Работы по бурению обошлись компании в 15 млн долларов и научного характера не носили.
Бурение, велось с 25 ноября 1972 года по 25 июня 1974 года вела компания Lone Star Productiоn Co., специализирующаяся на исследовании и добыче природного газа.
Эта скважина до 1979 года была самой глубокой в мире.
Однако 6 июня 1979 года скважина СССР опустилась до отметки 9,584 км и отняла первенство у «Берты Роджерс».
Недавно стало известно о планах воскресить проект глубокого океанического бурения с помощью исследовательского бурового судна JOIDES Resolution. В качестве новой цели геологи выбрали точку в Индийском океане, неподалеку от Африки. Глубина залегания границы Мохоровичича там составляет лишь около 2,5 километра. В декабре 2015-го — январе 2016 года геологам удалось пробурить скважину глубиной в 789 метров — пятую по величине в мире из подводных скважин. Но эта величина — лишь половина от требовавшейся на первом этапе. Впрочем, команда планирует вернуться и завершить начатое.
Скважина
В начале шестидесятых к подобным исследованиям подключился Советский Союз. Никита Сергеевич Хрущев В 1962 году утвердил научную программу «Изучение недр Земли и сверхглубокое бурение». В конце 60-ых годов была запущена программа научно-технического исследования недр земли.
С начала XX века считалось, что Земля состоит из коры, мантии и ядра. При этом никто толком не мог сказать, где кончается один слой и начинается следующий. Ученые не знали даже, из чего, собственно, эти слои состоят. Еще каких-то 40 лет назад они были уверены, что слой гранитов начинается на глубине 50 метров и продолжается до 3 километров, а затем идут базальты. Встретить мантию ожидалось на глубине 15-18 километров. В реальности все оказалось совершенно иначе.
Первоначальные отечественные проекты также предполагали подводное бурение – в Каспийском море или на Байкале. Но в 1963 году учёный-буровик Николай Тимофеев убедил Государственный комитет по науке и технике СССР в том, что нужно создать скважину на континенте. Хотя бурить придется несравненно дольше, полагал он, скважина будет куда ценнее с научной точки зрения, ведь именно в толще континентальных плит в доисторические времена происходили самые значительные перемещения земных пород.
До начала бурения был построен на основе сейсмологических данных разрез земной коры. Он послужил прогнозом появления тех земных слоев, которые пересекала скважина. Предполагалось, что до глубины 5 км идет гранитная толща, после нее ожидали более прочные и более древние базальтовые породы.
Была поставлена задача построить скважину, которая достигла бы семикилометровой глубины. Причем сделать это предполагалось не в океане, а на континенте.
Бурение скважины должно дойти до мантии Земли, которая предположительно должна состоять из расплавленных пород. Для этого бурить решили в месте печенегского прогиба Балтийского щита в районе Кольского полуострова на северо-западе Восточно-Европейской платформы – одного из самых древних образований планеты. Возраст выходящих здесь на поверхность пород по предположениям ученых насчитывал не менее трех миллиардов лет, а Земле всего-то 4,5 млрд. лет.
Главной задачей бурения было выявление особенностей щита и определение границ между слоями земной коры.
Для бурения СГ была создана специальная геологоразведочная экспедиция (Кольская ГРЭ). Бурить именно в древнейших изверженных породах было интересно, потому что толщи осадочных пород до глубины 8 км уже неплохо изучены при добыче нефти. А в изверженные породы при добыче полезных ископаемых забираются обычно лишь на 1-2 км.
В глубокой древности жители Норвегии называли Кольский полуостров Тренисес или Тернес, а финны Терским берегом, оба названия абсолютно не отражали истинную природу этой знаменитой впоследствии земли, так как названия переводились, как «Возвышенный берег». На самом деле, поверхность Кольского полуострова состоит из древней архейской породы, которая в иных местах залегает на глубине от 5 до 10 километров. Куда делся верхний слой, который, безусловно, существовал, сейчас неизвестно, однако точно установлено, что он переместился в результате кропотливой работы воды, ветра, дождя и ледника, полировавших землю Арктики в течение миллионов лет.
Итак, местом бурения выбрали северо-запад Кольского полуострова, в 10 км от города Заполярный, неподалеку от нашей границы с Норвегией. Заполярный — небольшой городок, выросший в пятидесятых годах рядом с никелевым комбинатом. Среди холмистой тундры на бугре, продуваемом всеми ветрами и метелями, стоит «квадратик», каждая сторона которого образована из семи пятиэтажных домов.
Внутри — две улицы, на их пересечении площадь, где стоят Дом культуры и гостиница. В километре от городка, за оврагом, видны корпуса и высокие трубы никелевого комбината, за ним, по склону горы, темнеют отвалы пустой породы из ближайшего карьера. Рядом с городком проходит шоссе на город Никель и к небольшому озерцу, на другом берегу которого — уже Норвегия.
К 1970 году, как раз к 100-летию со дня рождения Владимира Ильича Ленина, площадка под бурение была найдена – древний кристаллический щит Кольского полуострова. По данным отчета Института физики Земли, за миллиарды лет Кольский щит остыл, температура на глубине 15 км не должна была превышать 150°С. Согласно примерному разрезу, первые 7 километров должны быть сложены гранитными толщами верхней части земной коры, а ниже начинаться базальты. Площадку для буровой выбрали на северной оконечности Кольского полуострова близ озера Вильгискоддеоайвинъярви (по-фински это значит «Под волчьей горой»).
В конце 70-х – начале 80-х устроиться работать на Кольскую сверхглубокую, как называют скважину жители города Заполярный Мурманской области, было сложнее, чем попасть в отряд космонавтов. Из сотен претендентов выбирали одного-двух. Вместе с приказом о приеме на работу, счастливцы получали отдельную квартиру и зарплату, равную двойному-тройному окладу московской профессуры. Конкурс на трудоустройство составлял десятки человек на место. В то время, когда рядовой советский инженер получал 120 рублей в месяц, инженер на Кольской сверхглубокой зарабатывал невероятные 850 рублей – три зарплаты и можно купить машину.
На скважине одновременно работало 16 исследовательских лабораторий, каждая – размером со средний завод.
Бурение скважины началось в 1970 году. Ее вели серийной установкой, «Уралмаш-4Э» — ее обычно использовали для бурения нефтяных и газовых скважин. Модификация установки позволила достичь глубины 7 километров 263 метра. На это ушло четыре года. Всю вышку из-за постоянных ветров и холода пришлось обшить доверху деревянными щитами. Иначе тому, кто во время подъема колонны труб должен стоять наверху, работать просто невозможно.
Немного о персонале. В Кольской геологоразведочной экспедиции, созданной для бурения, собрался хороший, высококвалифицированный коллектив работников.
Для создания скважины была создана уникальная команда советских ученых.
Начальником ГРЭ, талантливым руководителем, подобравшим команду, и начальником Кольской сверхглубокой почти бессменно был советский ученый
Давид Миронович Губерман.
Главный инженер Иван Васильченко. Отвечал за бурение и командовал буровой Алексей Батищев, которого все звали просто Лехой. В команду геологов вошли знаменитые геологи Юрий Смирнов и Владимир Ланев. А геофизикой заведовал Юрий Кузнецов.
Отдельно огромную работу по обработке керна и созданию кернохранилища проводил геолог Юрий Смирнов.
В проведении исследований на СГ принимали участие более 10 научно-исследовательских институтов. Были в коллективе и те, кто особенно отличался С. Цериковский, который придумывал и изготовлял различные устройства, порой позволяющие выходить из труднейших, казалось бы, безвыходных положений. Многие необходимые механизмы такие люди сами создавали здесь же в хорошо оснащенных мастерских.
Для начала необходимо отметить, что СГ-3 изначально задумывалась именно для научных целей. Между тем один из аргументов состоял в том, что здесь находились и крупные медно-никелевые месторождения, разведка которых была бы полезным дополнением к научной миссии скважины.
К бурению скважины, приступили 24 мая 1970 года.
Несмотря на нетривиальную задачу, никакое специальное оборудование для работ не разрабатывалось – работали тем, что есть. Согласно директиве «сверху» на СГ-3 использовалось только отечественное оборудование, да и не могло быть по-другому: на первых порах скважина была сверхсекретным режимным объектом.
Буровая установка грузоподъемностью 200 тонн и легкосплавные алюминиевые трубы. Дорогой алюминий использовался по целому ряду причин: эти трубы имеют гораздо меньший вес, стальная колонна просто разорвалась бы от своего веса. И ещё при температурах свыше 150-160 градусов сталь серийных труб размягчается и хуже держит многотонные нагрузки.
Бурение проходило относительно спокойно до глубины в 7000 метров, бур проходил через однородные прочные граниты. После этой глубины буровая головка вошла в менее прочные слоистые породы. При прохождении через них ствол скважины стал осыпаться с образованием каверн.
На базе СГ-3, помимо непосредственно буровой, работало несколько НИИ, собственное конструкторское бюро, токарный цех, кузница. Все это требовало энергии и Кольскую сверхглубокую обслуживала собственная подстанция. Здесь работало 48 человек.
В самой экспедиции по бурению скважины принимало участие 3 000 человек, они жили в городке в двух специально выделенных домах. Работа на буровой велась круглосуточно с остановками по техническим причинам. Буровая представляла собой сооружение высотой более 60 метров, защищённое ветхими стенками из досок от ветра и дождя и снабжённое лампочками, горящими долгой полярной зимой на фоне северного сияния.
Основные цели и задачи, которые были поставлены при бурении СГ-3.
Изучение глубинного строения никеленосного Печенгского комплекса и архейского кристаллического основания Балтийского щита в районе Кольского полуострова, выяснение особенностей проявления геологических процессов, включая процессы рудообразования.
Выяснение геологической природы сейсмических границ раздела в континентальной земной коре и получение новых данных о тепловом режиме недр, глубинных водных растворах и газах.
Получение максимально полной информации о вещественном составе горных пород и физическом их состоянии, вскрытие и изучение пограничной зоны между гранитным и базальтовым слоями земной коры.
Усовершенствование имеющейся и создание новой техники и технологии сверхглубокого бурения, а также методов комплексных геофизических исследований пород и руд на больших глубинах.
Изначально СГ-3 имела статус секретного объекта, поскольку находилась в пограничной зоне, по соседству со стратегическими месторождениями полезных ископаемых, а кроме того, СССР охранял свой научный приоритет в исследовании литосферы.
Однако уже в начале 1970-х годов буровую посетил один из руководителей Академии наук Чехословакии. В 1975 году о Кольской сверхглубокой в газете «Правда» написал министр геологии Александр Сидоренко. В 1984 году в Москве проходил Всемирный геологический конгресс и приуроченная к нему выставка, на которой один из стендов освещал СГ-3.
После конгресса в посёлок Заполярный приехала международная делегация геологов и журналистов, которым показали буровую в действии.
История бурения
Как происходит стандартное бурение какой-нибудь средней скважины, скажем, для нефтегазового комплекса? Двигатель буровой установки, расположенной на поверхности, вращает колонну стальных труб, в нижней части которой находятся долота с одной или несколькими буровыми коронками, армированными твердыми сплавами или алмазами.
Одновременно в формируемую скважину закачивается специальный буровой раствор. Это особая сложносоставная глинистая смесь, выполняющая множество важных функций. Во-первых, она охлаждает породоразрушающий инструмент, во-вторых, ее давление обеспечивает дополнительную устойчивость стенкам буровой колонны, в-третьих, эта смесь, возвращаясь на поверхность, выносит с собой шлам, мелкие частицы породы.
Бурение сверхглубоких скважин имеет свои характерные особенности, значительно усложняющие его. В первую очередь, необходимо уменьшить вес многокилометровой колонны буровых труб. Для этого вместо стальных труб на Кольском полуострове использовали трубы из легких алюминиевых сплавов.
По мере увеличения глубины скважины растет и горное давление, обусловленное весом породы. Чтобы компенсировать его и обеспечить устойчивость колонны трубы, модифицируется состав бурового раствора. Наконец, вместо двигателей на поверхности, обеспечивающих функционирование всего механизма, используются специальные турбины, которые расположены непосредственно у буровых коронок и приводятся в движение давлением раствора.
В среднем скорость бурения Кольской сверхглубокой составляла около 1-3 метров в час. По прохождении приблизительно десятка метров буровую колонну приходилось поднимать на поверхность для извлечения керна, цилиндра горной породы, образующегося в полой буровой трубе по мере ее углубления.
Проходка за один рейс, определяемая износом буровой головки, составляет обычно 7-10 м. (Рейс, или цикл, — это спуск колонны с турбиной и буровым инструментом, собственно бурение и полный подъем колонны.) Само бурение занимает 4 часа. А на спуск и подъем 12-километровой колонны уходит 18 часов. При подъеме колонна автоматически разбирается на секции (свечи) длиной по 33 м. В среднем за месяц удавалось пробурить 60 м. На проходку последних 5 км скважины было использовано 50 км труб. Такова степень их износа.
Именно керн представлял особый интерес для геологов, а его изучение позволило сделать выводы о внутренней структуре земной коры. По мере роста длины скважины росло и время, которое требовалось для спуско-подъемных операций.
До глубины в 7 километров работы проходили в штатном режиме. Далее ученые прогнозировали окончание стабильного гранитного слоя и границу Конрада — переход в нижний слой земной коры, базальтовый.
При этом в своих предположениях геологи основывались на резком увеличении скорости сейсмических волн после семикилометровой отметки, что означало принципиальное изменение состава горной породы. Оно действительно произошло, но полученные результаты анализа керна оказались совершенно неожиданными.
Ранее ученые предполагали, что ниже гранитов находится еще более плотная порода. Вместо этого они обнаружили высокопористую многокилометровую зону с кавернами и большим содержанием водорода, к тому же пропитанную водным раствором.
Это было совершенно феноменальное открытие, абсолютно не согласовывавшееся с прежними представлениями об устройстве земной коры, по крайней мере на этом участке Балтийского щита. Вместе с научным шоком изменение условий бурения принесло и тяжелые проблемы.
Во-первых, начала расти температура в скважине. На отметке в 7 километров она составляла 120°С, а к 12 километрам достигла уже 230°С. Оборудование, не рассчитанное на подобное пекло, стало часто выходить из строя. Кроме того, даже во время прохождения однородных прочных гранитов и тем более после попадания в зону каверн и трещин скважина стала отклоняться от вертикали.
Тонкая многотонная нить длиной 12 километров и диаметром 92 сантиметра на поверхности и 21,5 сантиметра в нижней части стала искривляться. К 12-му километру отклонение от вертикали составило 840 метров.
Ствол колонны периодически обрывался, и восстановить его целостность на такой глубине не представлялось возможным. Приходилось начинать бурение заново от последнего целого участка. В конечном итоге Кольская скважина превратилась в систему из нескольких скважин, чем-то напоминающую корневую систему дерева.
В октябре 1976 года вместо серийной буровой установки «Уралмаш-4Э», работавшей до глубины в 7 километров, на площадке Кольской сверхглубокой была смонтирована новая уникальная буровая «Уралмаш-15000» установка могла поднимать груз вплоть до 400 тонн.
Для этого был взят годовой перерыв, связанный со строительством новой вышки и монтажом специально разработанной буровой установки. Именно с ее помощью велось все дальнейшее сверхглубокое бурение.
В 70е годы наибольшим распространением пользовалось роторное бурение, когда вся колонна труб проворачивалась ротором, находящимся на поверхности. Такой метод отлично подходит для относительно неглубоких скважин, но, когда длина ствола приближается к 7000, а то и 10000 метрам, роторное бурение становится бессильно.
На СГ-3 в новой установке было изготовлено — более мощное автоматизированное оборудование. Использовалось турбинное бурение — это когда вращается не вся колонна, а только буровая головка. Через колонну под давлением подавался буровой раствор, вращающий стоящую внизу многоступенчатую турбину. Общая ее длина — 46 м. Завершается турбина буровой головкой диаметром 214 мм, имеющей кольцевую форму, поэтому в середине остается не разбурённый столбик породы — керн диаметром 60 мм. Через все секции турбины проходит труба — керноприемник, где собираются столбики добытой породы. Измельченная порода вместе с буровым раствором выносится по скважине на поверхность.
Ни в СССР, ни в мире на тот момент не было опыта бурения в породах кристаллического фундамента на подобных глубинах и помимо чисто технологических проблем, работа осложнялась 100% отбором керна.
От Заполярного до Сверхглубокой — 10 км. Дорога идет мимо комбината, потом по краю карьера и дальше лезет в гору. С перевала открывается небольшая котловина, в которой и установлена буровая. Ее высота — с двадцатиэтажный дом высотой 68 метров, вокруг нее разместились научные лаборатории, керн хранилище и ремонтно-механический завод — целый научный городок.
6 июня 1979 года случилось первое историческое событие. Буровики отрапортовали о достижении отметки в 9584 метра. Кольская скважина стала самой глубокой скважиной в мире, превзойдя американскую нефтяную рекордсменку «Берту Роджерс» (9583 метра). Буровой мастер Федор Атарщиков сделал в вахтенном журнале торжествующую запись: «Забой — 9584 метра. „Берта Роджерс», чао, гуд бай».
В начале 1980-х произошло и второе историческое событие. Кольская сверхглубокая прошла 11 022 метра, обойдя Марианскую впадину. На такую глубину внутрь собственной колыбели человечество еще не забиралось.
В 1983 году пробурили 12 066 метров и временно остановились — готовились к Международному геологическому конгрессу, который должен был проходить в Москве.
С 4 по 14 августа 1984 года в Москве проходила 27-я сессия Международного геологического конгресса (МГК). Она была крупнейшим форумом геологов мира. В ее работе приняли участие почти 5,7 тысяч человек.
На выставке Геоэкспо красовался большой стенд, посвященный работе СГ и самому главному — достижению рекордной глубины. Здесь были впечатляющие графики, рассказывающие о технике и технологии бурения, добытые образцы породы.
Многие делегаты конгресса захотели своими глазами увидеть уникальную буровую на Кольском полуострове и убедиться, что действительно в Союзе достигнута рекордная глубина бурения. Такой выезд состоялся. Там на месте провели заседание секции конгресса.
27 сентября 1984 года — «черная дата» в истории СГ. Скважина не прощает, когда ее надолго оставляют без внимания. За время, пока не велось бурение, в ее стенках, тех, которые не были закреплены зацементированной стальной трубой, неизбежно происходили изменения. Сначала все шло буднично.
Пробурив очередной 9-метровый отрезок на глубине более 12 км, что заняло 4 часа, достигли глубины 12,066 км.
Приготовились к подъему колонны. Попробовали. Не идет. Чтобы стронуть колонну с места, требуется усилие, превышающее ее вес (около 200 тонн). Так поступили и на этот раз, но колонна не сдвинулась. Немного прибавили усилие. Начали подъем при последнем подъеме на крюке висел укороченный кусок трубы с неровным нижним краем. Это означало, что в скважине остались не только турбобур, но и 5 км буровых труб.
Семь месяцев пытались их достать. Ведь потеряли результаты пятилетней работы.
Потом все попытки прекратили и начали с глубины 7 км.
После крупнейшей аварии 1984 года — снова подошли к глубине 12 км только через 6 лет.
В 1990 году мастера дошли до отметки в 12 262 метра, но их опять ждал обрыв колонны.
В 1994 году бурение прекратили окончательно.
Сегодня на Кольской сверхглубокой не ведут бурение, оно прекращено. СГ была не первой и не единственной в программе изучения глубинного строения Земли. Из зарубежных скважин три дошли до глубины от 9,1 до 9,6 км. Планировалось, что одна из них в Германии превзойдет Кольскую.
Однако бурение на всех трех, так же, как и на СГ, было прекращено из-за аварий и по техническим причинам.
На фото буровая КТВ в Германии. Глубина скважины 9000 метров. Из нее сделали музей.
До желанных 15 км Россияне смогли пробурить в 2017 году, только в другом месте, на шельфе Сахалина. И наш мировой рекорд не побит никем! Наша нефтяная скважина пробурена в Охотском море компанией ПАО «НК «Роснефть» – самая протяженная в мире скважина. Длина скважины с горизонтальным окончанием составляет 15 000 м, что на сегодняшний день является мировым рекордом и относится к категории сверхсложных скважин.
